플라스틱 컴파운딩 공정에서 분말 탄산칼슘을 위한 공기 분급 분쇄기의 공압 이송 및 공급 시스템을 설계하려면 분말의 거동, 유동 특성 및 공정 장비에 대한 포괄적인 이해가 필요합니다. 설계가 부실한 시스템은 재료 축적, 공급 속도 불일치, 제품 품질 문제 등을 초래할 수 있습니다.
이 기사에서는 공기 분류 분쇄기와 같은 장비와 완벽하게 통합되어 성능, 효율성, 제품 일관성을 최적화하는 효과적인 운반 및 공급 시스템을 설계하는 방법에 대한 전체적인 기술 가이드를 제공합니다.
왜 탄산칼슘인가?
탄산칼슘은 플라스틱 산업에서 가장 널리 사용되는 미네랄 필러 중 하나로, 다용성, 비용 효율성, 그리고 가공 용이성으로 높은 평가를 받고 있습니다. 다양한 고분자 수지와 호환되며, 최적의 성능을 위해 원하는 입자 크기로 미세 분쇄할 수 있습니다. 플라스틱 복합재의 첨가제로 사용되는 탄산칼슘은 표면 에너지를 감소시키고, 불투명도와 광택을 향상시키며, 더욱 매끄러운 표면 마감을 제공합니다. 입자 크기를 세밀하게 조절하면 충격 강도와 굽힘 탄성률(강성)도 향상시킬 수 있습니다.
탄산칼슘은 다양한 열가소성 플라스틱에 적합합니다. 폴리프로필렌 복합재에서는 경도를 높여 고온 응용 분야에 필수적입니다. PVC에서는 유연한 제품(예: 파이프, 전선 및 케이블 절연체, 라텍스 장갑, 쓰레기 봉투)과 단단한 제품(예: 압출 파이프, 수도관, 문 및 창틀) 모두에 사용됩니다.
탄산칼슘용 공압 이송 시스템
고체의 입자 모양, 크기(종횡비), 크기 분포, 표면 거칠기, 경도(마모 저항성), 체적 밀도는 공급 및 공압 수송 시스템 설계에 중요한 역할을 합니다.
탄산칼슘의 경우, 그 물리적 특성은 원산지와 제조 공정에 따라 크게 달라질 수 있습니다. 그림 1에서 볼 수 있듯이, 체 분석 결과 두 시료 간의 입자 모양, 크기 및 분포에 현저한 차이가 나타났습니다.
그림 1
복잡한 입자 상호작용(그림 2 참조)으로 인해 필러의 입자 수준 특성과 체적 유동성 사이의 직접적인 상관관계를 규명하는 것은 어렵습니다. 따라서 공압 이송 시스템은 표준화되거나 기성품으로 구매할 수 없으며, 각 용도에 맞게 맞춤 설계해야 합니다. 체적 특성의 변화는 시스템 설계 및 장비 선택에 직접적인 영향을 미치므로, 재료 특성과 유동 거동을 정확하게 평가하기 위해서는 실험실 테스트가 필수적입니다.
입자 상호 작용
공압 수송 및 공급 시스템에서 미네랄 필러의 흐름 동작에는 입자-입자 상호 작용, 입자-장비 상호 작용, 입자-환경 상호 작용이라는 세 가지 주요 유형의 상호 작용이 영향을 미칩니다.
입자-입자 상호 작용
이러한 상호작용은 벌크 거동과는 별개로 필러의 화학적 구성과 물리적 특성에 의해 결정됩니다.
입자 사이의 주요 힘은 정전기력과 반데르발스 힘입니다. 반데르발스 힘은 입자 간 분리가 심해질수록 약해지므로, 응집성 분말에 더 미세한 입자를 첨가하면 유동성이 향상될 수 있습니다.
다른 관련 힘으로는 다음이 있습니다. 모세관력은 주변 가스에 수증기가 존재할 때 액체 다리(liquid bridge)에서 발생합니다. 소결력은 확산이나 점성 유동을 통한 물질 이동으로 인해 고체 다리(solid bridge)를 유발합니다. 이러한 입자 간 힘은 응집력을 증가시켜 응집을 촉진하고 유동 효율을 감소시킬 수 있습니다.
입자-장비 상호 작용
호퍼, 파이프 또는 기타 용기를 통한 고체 입자의 이동은 크게 두 가지 재료 속성에 따라 달라집니다.
벽 마찰력은 입자가 장비 표면에 미끄러지는 방식을 나타냅니다. 전단 강도는 압축된 분말 덩어리가 변형이나 내부 입자 이동에 저항하는 정도를 나타냅니다. 두 가지 특성 모두 안정적인 공급 및 이송 성능에 필수적입니다.
입자-환경 상호 작용
온도, 상대 습도, 진동, 중력, 기류와 같은 외부 요인 또한 분말 흐름에 영향을 미칩니다. 습도는 수분 흡착 및 액체 브릿지 형성을 통해 모세관력에 영향을 미치며, 특히 흡습성 재료에서 그렇습니다.
온도는 결정성에 영향을 미치고 소결을 촉진하여 입자 구조와 유동성을 변화시킬 수 있습니다. 압력은 입자 간 접촉을 증가시켜 충전 밀도를 높이고 접착력을 강화합니다. 이러한 환경 조건은 벌크 재료의 전반적인 유동 특성을 형성합니다.
탄산칼슘용 공압 이송 시스템
공압 수송 시스템은 일반적으로 동력 장치, 수송 라인, 배칭 장치, 재료-가스 분리 장치, 제어 시스템 등 5가지 기본 구성 요소로 구성됩니다.
배칭 장비
배칭 장치를 선택할 때, 특정 탄산칼슘 입자 크기는 가볍고 유동성이 높아 이송 라인에 과도한 양의 물질이 유입될 수 있다는 점을 반드시 고려해야 합니다. 공급 속도를 제어하기 위해 로터리 밸브를 사용하여 공압 이송 시스템으로 물질을 계량하는 경우가 많습니다. 이 시스템은 가압 또는 진공 상태에서 작동합니다.
그러나 탄산칼슘의 응집력 변화로 인해 드롭스루 로터리 밸브의 베인에 물질이 쌓일 수 있습니다. 이러한 경우에는 블로우스루 로터리 밸브를 사용하는 것이 좋습니다. 이 밸브는 회전하면서 공기 분사를 사용하여 베인에서 물질을 제거하여 쌓이는 것을 방지합니다. 또한, 공급 사일로 바닥에 유동화 콘을 설치하면 물질의 균일한 배출을 촉진하여 유량 제어를 더욱 향상시킬 수 있습니다.
컨베이어 라인
탄산칼슘 분말은 공기 분급기 분쇄 컨베이어 시스템에서 여러 문제를 일으킬 수 있습니다. 이러한 문제에는 재료가 호퍼에 갇히거나, 컨베이어 라인에 넘치거나, 컨베이어 라인 내부에 쌓이거나, 수거 장치의 필터 백이나 사일로가 막히는 것이 포함됩니다.
강성 튜빙은 유동성이 높거나 약간 끈적거리는 탄산칼슘의 컨베이어 라인으로 사용할 수 있습니다. 하지만 탄산칼슘이 컨베이어 라인 내부에 달라붙는 경향이 있는 경우, 연성 튜빙을 사용하는 것이 좋습니다. 연성 튜빙은 유연하기 때문에 파이프 벽에 쌓이는 것을 방지합니다.
연속 진공 시스템에서 플러싱 밸브를 사용하면 이송 사이에 컨베이어 라인을 깨끗하게 유지할 수 있습니다. 먼저 진공 시스템의 공급 측 차단 밸브를 닫아 컨베이어 라인의 공기 압력을 높입니다. 그런 다음 밸브를 열면 발생하는 압력파가 컨베이어 라인 내부 표면에 부착된 물질을 제거하는 데 도움이 됩니다.
재료 가스 분리 장치
탄산칼슘은 필터에 달라붙어 막힘을 유발하고 필터 효율을 저하시키는 경향이 있습니다. 끈적끈적한 탄산칼슘의 경우, 주름 필터 카트리지 대신 필터 백을 사용하면 탄산칼슘이 필터에 달라붙는 것을 방지할 수 있습니다. 심한 경우에는 PTFE 필터 매체를 사용하는 것이 좋습니다. 일부 탄산칼슘은 호퍼에서 완전히 배출하기 위해 더 가파르고 끝이 뾰족한 배출구가 필요할 수 있습니다. 리시버 호퍼 내부의 진동기나 유동화 패드와 같은 유동 보조 장치는 더 빠르고 완벽한 배출을 보장하는 경우가 많습니다.
탄산칼슘 공급
각 탄산칼슘 샘플에 대한 공기 분류 밀 공급 시스템 선택을 결정하는 데는 두 가지 주요 변수가 있습니다. 즉, 미네랄 필러의 특성(예: 입자 크기 및 모양, 가스 투과성, 겉보기 밀도, 휴식 각도)과 원하는 공급 속도입니다.
중량 감량(LIW) 피더는 완전 밀폐형 재료 취급을 통해 분진 발생을 최소화하고 정확한 공급 속도를 보장하여 최종 제품 품질을 유지합니다. 이 피더는 다양한 구성으로 제공되어 특정 재료 특성, 흐름 거동 및 필요한 공급 속도에 맞춰 호퍼 크기, 공급 메커니즘 및 계량 시스템을 맞춤 설정할 수 있습니다.
체적 측정 vs. 중량 측정
대부분의 공급기는 체적식 또는 중량식 공급기로 분류할 수 있습니다.
체적식 공급기는 단위 시간당 일정한 양의 재료를 공급하며, 자본 비용이 가장 낮은 공급 솔루션을 제공합니다. 그러나 스크류식 체적식 공급기는 감지 기능이 부족하고 부피 밀도 변화에 맞춰 조정할 수 없습니다. 따라서 이러한 공급기는 부피 밀도가 안정적이고 유동성이 비교적 자유로운 재료(예: 펠릿)와 공급 정확도가 중요하지 않은 용도에 가장 적합합니다.
중량식 공급기는 단위 시간당 일정한 중량의 재료를 공급합니다. 중량식 공급기는 공급 과정을 모니터링할 뿐만 아니라, 무게와 속도를 측정하여 초당 공급되는 실제 중량을 결정하는 피드백 루프를 갖추고 있습니다.
호퍼 선택
공급기의 크기와 유형이 결정되면 연속적인 플라스틱 혼합 작업에 필요한 재료를 담을 수 있는 적절한 모양과 크기의 호퍼를 선택해야 합니다.
호퍼는 원통형, 비대칭형, 대칭형으로 제공되며, 크기는 1리터에서 수백 리터까지 다양합니다. 공급 호퍼의 크기는 공급 호퍼의 재충전 요구 사항과 사용 가능한 공간에 따라 달라집니다. 일반적으로 호퍼를 시간당 12회 재충전할 경우, 최대 충전량은 호퍼 용량의 80%가 되어야 합니다. 비용 증가 및 공간 요구 사항으로 인해 호퍼 크기는 너무 커서는 안 됩니다. 재료 압축 증가 가능성은 입자 상호 작용 때문입니다. 따라서 다음과 같은 이론적 계산 방법을 사용하여 호퍼 크기를 예비적으로 추정할 수 있습니다. 호퍼 용량 = 유량 / (부피 밀도 × 0.8 × 12).
호퍼 내부의 침전된 탄산칼슘은 응집되는 경향이 있으며, 이로 인해 래트홀(rathole)과 브리징(bridging)이 발생할 수 있습니다.
공급 장비
사용하는 공급 장비는 공급하는 재료에 따라 달라집니다.
단일 스크류 피더는 흐름이 좋은 분말과 과립에 사용할 수 있습니다. 이중 스크류 피더는 흐름이 어려운 분말에, 진동 트레이는 섬유질이나 부서지기 쉬운 물질에 사용할 수 있습니다.
트윈 스크류 디자인
자유롭게 흐르는 탄산칼슘의 경우, 단일 스크류 피더로 충분합니다. 일반적으로 더욱 안정적인 결과를 얻으려면 이중 스크류 피더를 권장합니다. 미네랄 필러의 유량 및 특성에 따라 다양한 스크류 유형을 사용할 수 있습니다. 가장 일반적으로 사용되는 스크류 프로파일은 오목형, 드릴형, 나선형, 이중 스크류입니다. 스크류의 목적은 플라스틱 컴파운딩 공정에 다량의 고형물을 균일하게 공급하는 것입니다. 이러한 스크류는 스크류 피더가 정지하면 재료 흐름을 차단하여 유동화된 고형물의 대량 유입을 방지할 수도 있습니다.
탄산칼슘은 피더 스크류와 같은 금속 표면에도 압축되는 경향이 있습니다. 이 문제를 해결하기 위해, 자체 세척 기능이 있는 두 개의 맞물림식 공동 회전 스크류를 사용하여 스크류 표면을 깨끗하게 유지하고 이물질이 쌓이지 않는 환경을 조성합니다.
브리지 스케일
계량 시스템은 분급 분쇄기에 일관되고 제어된 공급을 보장합니다. 소용량 플랫폼 저울부터 대형 3점 서스펜션 시스템까지 다양한 옵션을 제공합니다. 공급기와 통합되어 공급 속도를 정밀하게 제어하고 최종 제품 품질을 보장합니다.
결론
입자 거동부터 장비 설계까지, 분말 탄산칼슘을 공기 분급 분쇄기로 이송하고 공급하는 과정은 재료 과학과 기계 공학에 대한 세심한 고려를 필요로 합니다. 이송 라인, 피더, 호퍼, 계량 시스템 등 각 구성 요소를 최적화함으로써 높은 제품 일관성, 가동 중단 시간 최소화, 그리고 효율적인 충전재 조정을 보장합니다.
EPIC Powder Machinery 소개
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